Nosné konstrukce budov

Transkript

1 Nosné konstrukce budov

2 Základní koncept budovy jedna statička mi říkala, že jsou to stejně jenom nosníky a konzoly

3 Koncept výškové budovy dominantní vodorovné zatížení je přenášeno účinkem konzoly celkový ohybový moment od vnějšího zatížení musí být přenesen sumárním účinkem vnitřních ztužujících konstrukcí

4 Koncept halové budovy dominantní svislé zatížení je přenášeno nosníkovým účinkem celkový ohybový moment od vnějšího zatížení musí být přenesen sumárním účinkem konstrukce

5 Plošně zatížená konstrukce Konstrukce přenáší plošné zatížení (stěna budovy, strop, střecha haly, šikmá střecha) o součástí konstrukce musí být deska (zachycení plošného zatížení) o deska na větší rozpětí je těžká a proto se navrhují vícestupňové konstrukce Funkce stropní konstrukce

6 Specializace - deska a nosník plošný prvek specializovaný na sběr zatížení tyčový prvek specializovaný na přenesení momentu (nosník, rám, oblouk,..)

7 Co mají společného? strom, kořeny, řeka, blesk, svoz odpadu, zásobování, kanalizační síť,

8 Stromová struktura mají společné obecné funkce - sběr něčeho z plochy a přenos něčeho

9 Velikost stromu strom, keř, tráva Proč mají různou topologii?

10 Stromová struktura nosných konstrukcí halové konstrukce, krovy, stěny vícepodlažních budov,

11 A ještě větší abstrakce. (pouze pro drsné povahy) o Systém se dvěma funkcemi se při zvyšování požadavků rozpadá na dva specializované subsystémy o aplikace příklady konstrukcí s více funkcemi

12 Příklad: Obvodová stěna budovy dvě funkce nosná a tepelně izolační původní konstrukce s malými požadavky = jednovrstvá nová kosntrukce s vyššími požadavky = vrstvená

13 Halové konstrukce

14 Funkce halových a velkoobjemových objektů nosná funkce přenos svislých zatížení přenos vodorovných zatížení obalová funkce ochrana vnitřního prostředí Halový objekt - porovnání s konstrukcí krovu zastřešuje větší, popř. velký rozpon (12 m a více) nemá zpravidla vnitřní podpory vnitřní prostor není zpravidla členěn podlaha je zpravidla na terénu

15 Vliv dispozičního řešení na geometrické uspořádání halového objektu charakter provozu ovlivňuje půdorysné uspořádání nosné konstrukce (využití prostoru)

16 Vliv provozu na tvar halového objektu - příčný řez tvar příčného řezu konstrukce (přímé, konvexní, konkávní)

17 Rozpon nosné konstrukce Velikost ohybového momentu je úměrná mocnině rozponu Rozpon konstrukce je nejdůležitější parametr rozhodující o její efektivnosti

18 Příklad konstrukce s velkým rozponem (stanice metra Střížkov)

19 Příklad konstrukce s malým rozponem (tiskárna České Budějovice)

20 Zatížení a poruchy halových konstrukcí Svislá zatížení (porušení ohybová, tlaková(vzpěr), tahová) Vodorovná zatížení (porušení tuhosti stropní tabule, ztráta prostorové stability) Objemové změny (teplotní,..), tahová, tlaková porušení Sedání podpor

21 Jednostupňové, dvoustupňové a vícestupňové jedno, dvou, tří a více stupňové systémy volba závisí na rozponu konstrukce nezávislost a optimalizace konstrukčních řešení jednotlivých stupňů

22 Jednosměrné a vícesměrné výběr ovlivňují možnosti podepření princip lze aplikovat i na vícestupňové konstrukce vícesměrně působící konstrukce je staticky neurčitá princip lze aplikovat na ohýbané, tlačené i tažené konstrukce

23 Geometrie systému Systémy: ortogonální radiální axiální

24 Konstrukční varianty příčně zatížených konstrukcí Konstrukce s působením převážně: ohybovým (nosník, rám) tlakovým (rám, lomený rám, oblouk) tahovým (visuté, zavěšené, pneumatické) konstrukce se smíšeným působením (ohybové a tlakové namáhání) (rám, lomený rám)

25 Ohýbaná konstrukce nosník, konzola, příčle rámu, pole spojitého nosníku ohýbaná konstrukce přenáší ohyb = dvojice sil tlačená a tažená část konstrukce únosnost je dána součinem plochy a ramenem efektivnější konstrukce mají větší rameno vnitřních sil

26 Smykové spojovací prostředí dva pásy nestačí - nezbytné je smykové spojovací prostředí propojení hmoždíky, ozuby roštový nosník (dříve zazubený nosník) plná stěna plnostěnný nosník, stěnová ztužidla příhrada příhradový nosník, příhradová ztužidla rámové příčle nosník s rámovými příčlemi (vierendeelův), rámová ztužidla

27 Základní rozdělení a varianty ohýbaných konstrukcí Podle základního uspořádání (topologie) bezvazníkové deskové systémy (deska) vazníkové systémy (vazník-vaznice-deska, vazník-deska) Podle charakteru namáhání základní vazby plnostěnné, příhradové s rámovými příčlemi Podle materiálu: ocelové betonové dřevěné materiálově kombinované

28 Konstrukce s převažujícím ohybovým namáháním Deskové soustavy o Deskové konstrukce o Prizmatické lomenice o Soustavy s plošnými nosníkovými prvky (bezvazníkové soustavy) Vazníkové soustavy Rámové soustavy

29 Konstrukční varianty příčně zatížených konstukcí Konstrukce s působením převážně: ohybovým (nosník) tlakovým (lomený rám, oblouk) tahovým (visuté, zavěšené, pneumatické) Konstrukce se smíšeným působením rám, lomený rám

30 Deskové konstrukce

31 Statická účinnost deskové konstrukce v závislosti na rozponu schopnost desky přenášet zatížení klesá nepřímo úměrně čtverci rozponu

32 Snížení vlastní hmotnosti ohýbaných konstrukcí snížení vlastní hmotnosti prvku vícestupňová konstrukce a) deska lehčená v celé tloušťce, b) deska s lehčeným jádrem, c) deska s otvory, d) sendvičová konstrukce, e) T - průřez

33 Prizmatické lomenice

34 Stěnové nosníky Porovnání stěnového a normálního nosníku Otevřený nebo uzavřený systém v závislosti na podepření Trajektorie hlavních napětí v závislosti na způsobu podepření Příklady: lomenice výztužné stěny

35 Účinné tvarování deskového průřezu Účinné tvarování poskytuje: velké rameno vnitřních sil stabilizaci tlačené části průřezu

36 Další použití lomenicových konstrukcí Prizmatické lomenice Lomenicové rámy a oblouky

37 Lomenice vyztužené horizontální deskou Zvýšení únosnosti lomenicového rámu vložením desky do tlačené zóny průřezu (Sál Unesco, Paříž Nervi 1957)

38 Soustavy s plošnými nosníkovými dílci (bezvazníkové soustavy)

39 Bezvazníkové haly konstrukční přechod mezi deskovými a vazníkovými soustavami spřažení desky a žeber výhodné pro betonové konstrukce předpínané konstrukce

40 Konstrukční řešení nosníkových dílců tvarování dílců předepínání dílců nadvýšení dílců

41 Dotvarování soustav s plošnými nosníkovými dílci tenkostěnné předpínané betonové dílce jsou náchylné k dotvarování opatření: stejně staré dílce spojování dílců

42 Hyperbolicko-parabolické skořepinové dílce vliv tvaru příčného řezu na statickou účinnost

43 Vazníkové soustavy

44 Ukázky a historie vazníkových a rámových konstrukcí

45 Prehistorické a antické konstrukce dřevo, kámen b.c. Mezopotámie (dřevo) 1200 b.c. Řecko (dřevo, kámen) 190 b.c. Řím (dřevo, železo)

46 Litinové a ocelové konstrukce z období 19. století 1851 London Chrystal palace (Paxton, Fox - litina, dřevo) 1878 Paris Exhibition palace (Henri de Dion - ocel)

47 Dřevěné konstrukce z období 19. století 1820 Emy - Skružová oblouková konstrukce Ardant Příhradový rám Příhradový vazník s ocelovými styčníky

48 Lepené konstrukce (20-století) Hetzer Lepený dřevěný rám

49 Principy vazníkových konstrukcí

50 Celkové schéma a prvky vazníkové soustavy Dvoustupňový systém vazník, plošný prvek(panel) Třístupňový systém vazník, vaznice, plošný prvek (panel, pobití) Opěrný systém sloupový sloupy, průvlaky Opěrný systém stěnový podélné nosné stěny (zdivo, beton) Plnostěnné nebo příhradové vazníky (typické řešení)

51 Vlastnosti vazníkových soustav Výhody: Nevýhody: jednoduché prvky jednoduché stykování menší citlivost k vynuceným deformacím menší statická efektivnost menší příčná tuhost

52 Hospodárnost návrhu vazníku efektivní tvar nosníku vychází z vnějšího ohybového momentu hospodárnosti se dosahuje tvarem odpovídajícím ohybovému namáhání vhodnou výškou vazníku odstupňování pásových průřezů

53 Efektivní tvarování průřezu efektivnost průřezu závisí na poměru průřezového modulu a plochy (únosnosti a ceny) statická účinnost průřezu vyjadřuje efektivnost využití materiálu průřezu pro ohybová namáhání statická účinnost je dán poměrem mezi jádrovou úsečkou (c=w/a) a výškou průřezu h

54 Zakřivené vazníky zakřivený nosník s horizonálně netuhým (posuvným) podepřením přenáší zatížení ohybovým působením nevzniká vodorovná síla

55 Vzpěrný tlak pásnic štíhlých nosníků štíhlá tlačená pásnice je namáhána vzpěrným tlakem

56 Opatření proti vybočení tlačených částí nosníků Opatření proti vybočení o ohybová tuhost pásnice o spolupůsobení s jinou pásnicí o připojení ke spodnímu pasu sousedního prvku o připojení k jiné tuhé konstrukci o prostorově působící nosník o lomenice a skořepiny o pneumatický nosník

57 Spojité nosníky důvody využití průběh vnitřních sil

58 Význam vnitřních kloubů spojitého nosníku klouby umožňují modifikovat vnitřní síly klouby snižují statickou neurčitost (menší citlivost na vynucené deformace) klouby umožňují snazší spojování prvků

59 Rozpony spojitých nosníků vliv nestejného rozpětí jednoho pole na celkovou efektivnost řešení jedno velké pole sníží efektivnost celé konstrukce malé pole nevadí

60 Vazníkové haly na bázi dřeva

61 Plnostěnné vazníky na bázi dřeva vazník spřažený z hranolů vazník sbíjený z hranolů vazník sbíjený z fošen a prken low-tech řešení

62 Plnostěnné vazníky lepené přímopasový vazník, sedlový vazník, sedlový vazník se zakřiveným spodním pasem, sedlový vazník lomený, vazník s převislými konci a s náběhy, lomený vazník se střední částí sepnutou táhlem tvarování příčného řezu průřezy lepené z lamel, průřezy se stojinou z aglomerovaných desek, průřezy se stojinou z vlnitého plechy, průřez s vlepenou výztuží

63 Vlastnosti lepených konstrukcí Výhody: účinné tvarování průřezu dostatečná smyková tuhost požární odolnost možnost uplatnění různě kvalitních materiálů (okolo neutrálné osy) možnost vyztužení Nevýhody: cena materiálu cca 3-4x vyšší než běžné dřevo

64 Příhradové vazníky na bázi dřeva a) příhradový vazník s lepenými styčníky b) příhradový vazník sbíjený z prken c) příhradový vazník spojovaný kovovými hřebíkovými deskami d) materiálově kombinovaná soustava (vzpěradlo a vzpinadlo=inverzní systémy) e) materiálově kombinovaný sedlový vazník (vzpěradlo a dvě vzpinadla) 1-tlačný pás, 2-tažený pás, 3-tlačená diagonála, 4-tažená diagonála, 5-vyztuha uložení, 6-sloupek, 7-vzpěra, 8-táhlo

65 Řešení styčníků dřevěné příhradové konstrukce sbíjený styčník (a) styčník s ocelovými styčníkovými plechy s prolisovanými trny (b) styčník se svorníkem (c) lepený styčník s překližkovou deskou (d)

66 Řešení podpor uložení pomocí vložené styčníkové desky (a) uložení mezi ocelové příložky (b) uložení do upraveného zhlaví sloupu (c)

67 Vazníkové haly na bázi betonu

68 Plnostěnné vazníky na bázi betonu Sedlový vazník průřezu I, T (a) Pultový vazník (b) Přímopasý vazník průřezu I, resp. U (c) jednoduchá výroba Obloukový vazník s táhlem (d) staticky efektivní Sedlový vazník se stojinou vylehčenou otvory (e) dobrá prostupnost

69 Příhradové vazníky na bázi betonu Příhradový vazník sestavený z dodatečně spínaných prvků (a) Příhradový sedlový vazník z předem předepjatého betonu (b) Příhradový vazník s lomeným horním pasem z předepjatého betonu (c) Styčníky vazníků

70 Vazníkové haly na bázi oceli

71 Plnostěnné a prolamované vazníky na bázi oceli Přímopasový vazník z válcovaných, resp. tenkostěnných za studena tvar. průřezů (a) Přímopasový vazník složený z válcovaných průřezů (b) Přímopasový prolamovaný vazník (c) Pultový resp. sedlový vazník svařený z širokých pásových ocelí (d, e) Výroba prolamovaných nosníků

72

73 Příhradové vazníky na bázi oceli přímopasový (a), pultový (b) sedlový přímopasový (c) sedlový přímopasový s taženými diagonálami (d) sedlový s taženými diagonálami (e) sedlový s podružnými pruty (f) sedlový s úpravou pro světlík (d,h) pultový s různoběžnými pasy (i, j) sedlový s parabolickým spodním pasem (k) girlandový s táhlem (l) sedlový s táhlem (m) sedlový prostorový s předpínacími lany (n) obloukový (o)

74 Styčníky ocelových příhradových vazníků svařovaný styčník se styčníkovým plechem napojení vzpěrkové vaznice k příhradovému nosníku Napojení diagonál na dolní pas: s provedením prostorového řezu zploštěním konců a svařením

75 Podepření ocelových vazníků Řešení podporového kloubu u příhradových vazníků: uložení trubkového vazníku (a) uložení vazníku z válcovaných profilů (b) uložení vazníku z tenkostěnných profilů (c)

76 Předepínané konstrukce

77 Předepínání konstrukcí Důvody předepínání konstrukcí Zvýšení únosnosti dílčího průřezu (předpětí průřezu) Modifikace vnitřních sil v konstrukci (předpětí konstrukce)

78 Příklady předpětí v konstrukcích